□王 旺 米慧欣 邱 蓉 唐耀輝 郭樹(shù)冠

無(wú)人機(jī)航模運(yùn)動(dòng)以其技巧性和可操作性的特點(diǎn)受到青少年喜愛(ài)，但部分青少年安全意識(shí)不足，不注重個(gè)人防護(hù)，在飛行過(guò)程中極易發(fā)生危險(xiǎn)，導(dǎo)致部分家長(zhǎng)對(duì)青少年無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生極大的不信任感，也因此阻礙了一部分潛在愛(ài)好者的參與。低空無(wú)人機(jī)的主要風(fēng)險(xiǎn)在于槳葉外露，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力量破壞力巨大，存在較大的安全隱患，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的主要安全措施是安裝槳葉保護(hù)罩、增加視覺(jué)避障、安裝場(chǎng)地防護(hù)網(wǎng)等。如果能設(shè)計(jì)制作出一款無(wú)葉無(wú)人機(jī)，以上問(wèn)題就可以得到更好解決。

一、無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)需求

目前多旋翼無(wú)人機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，然而隨著無(wú)人機(jī)的廣泛運(yùn)用，越來(lái)越復(fù)雜的使用環(huán)境帶來(lái)了更為嚴(yán)峻的安全考驗(yàn)，需要對(duì)其安全設(shè)計(jì)加以更新。在目前常見(jiàn)的安全保護(hù)如加裝槳葉保護(hù)罩，其制作簡(jiǎn)單，更換方便得以更為廣泛地使用，但是由于保護(hù)罩需要考慮重量、透風(fēng)量以及成本，使得保護(hù)罩的保護(hù)效果被極大限制，在高速高質(zhì)量的無(wú)人機(jī)運(yùn)用中往往易產(chǎn)生形變，防護(hù)效果也不盡人意。除了對(duì)無(wú)人機(jī)本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的保護(hù)設(shè)計(jì)外，部分無(wú)人機(jī)也加入了多種智能化設(shè)備，如視覺(jué)避障、光流避障等，這些電子設(shè)備的加入極大保障了無(wú)人機(jī)的使用安全，但是由于其成本較高，水面、霧天等特殊環(huán)境中使用效果不理想也限制了其廣泛普及。由于無(wú)人機(jī)實(shí)際運(yùn)用中空曠、明朗、無(wú)干擾的理想飛行作業(yè)環(huán)境往往少見(jiàn)或不可求，因此無(wú)人機(jī)的保護(hù)措施應(yīng)當(dāng)去適應(yīng)多種環(huán)境。無(wú)人機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的槳葉是無(wú)人機(jī)造成危險(xiǎn)事件的重要因素之一，因此，開(kāi)展無(wú)人機(jī)無(wú)槳葉化的設(shè)計(jì)研究，是提升無(wú)人機(jī)安全保護(hù)效果的首選。

二、無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)分析

(一)新型無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)。選擇對(duì)傳統(tǒng)的旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行重組優(yōu)化來(lái)完成新型無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)，新型無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)包括飛行控制系統(tǒng)、遙控遙測(cè)系統(tǒng)、機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)四個(gè)主要部分。

1.動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)是新型設(shè)計(jì)的主要部分，去除了傳統(tǒng)外露槳葉，采用動(dòng)力輸出圈提供反向的推力達(dá)到為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力的目的。新型的動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力輸出圈、內(nèi)置電機(jī)、渦輪風(fēng)扇、電調(diào)。

2.飛行控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)是飛機(jī)大腦，是無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控信號(hào)處理、飛行指令執(zhí)行、姿態(tài)調(diào)整和飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控等的重要部分。主要包括微控制器、氣壓計(jì)、陀螺儀、加速劑、磁強(qiáng)計(jì)和其他功能開(kāi)發(fā)板。

3.遙控遙測(cè)系統(tǒng)。遙控遙測(cè)系統(tǒng)是飛機(jī)的人機(jī)溝通渠道，該系統(tǒng)能將操作人員的操作指令以特定的方式傳入飛行控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制，同時(shí)反饋飛行器的飛行信息以幫助操控人員更好地掌握無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。包括遙控器、與遙控器適配的接收機(jī)以及部分作業(yè)需求的圖傳和相應(yīng)的接收裝置。

4.機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是飛機(jī)的骨骼支架，為飛機(jī)提供儀器承載和保護(hù)，機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)系到飛機(jī)性能的好壞和使用者的用戶(hù)體驗(yàn)。包括機(jī)身、機(jī)架、機(jī)身護(hù)板以及相應(yīng)的保護(hù)罩等。

(二)無(wú)槳葉動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.無(wú)槳葉動(dòng)力系統(tǒng)原理。無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是基于空氣倍增機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，由出風(fēng)圈和送風(fēng)系統(tǒng)組成。送風(fēng)系統(tǒng)中微型風(fēng)機(jī)工作將外界空氣吸入送風(fēng)口，經(jīng)由風(fēng)機(jī)升壓后的空氣，從一個(gè)1mm左右寬的環(huán)形出風(fēng)口吹出，出風(fēng)圈水平安置，出風(fēng)口位于出風(fēng)圈頂部。空氣被強(qiáng)制從這一環(huán)形細(xì)縫里吹出來(lái)，緊靠著出風(fēng)口的地方有一個(gè)科恩達(dá)表面，依據(jù)伯努利原理，氣流吹出后由于流速的減緩會(huì)吸附于其便面流動(dòng)，會(huì)在該處形成科恩達(dá)效應(yīng)，氣流貼附出風(fēng)圈內(nèi)環(huán)外表面流動(dòng)，很大程度降低了過(guò)流區(qū)域尺寸改變而引起回流造成的能量損失，同時(shí)急速流動(dòng)的氣流貼附出風(fēng)圈內(nèi)環(huán)表面會(huì)因?yàn)殪F沫夾帶原理帶動(dòng)周?chē)諝怆S之流動(dòng)，出風(fēng)圈上方氣流不斷朝著噴出氣流方向流動(dòng)，從而在其上方產(chǎn)生負(fù)壓，整個(gè)動(dòng)力輸出圈上方的氣流也會(huì)不斷吸入以維持壓力平衡，最終噴出氣流加上附隨氣流的共同作用，無(wú)人機(jī)動(dòng)力輸出氣流較風(fēng)機(jī)吸入氣流增強(qiáng)15倍及以上。氣流急速?lài)姵鰹轱w行器提供推動(dòng)力，在控制飛行器整體重量和提高風(fēng)機(jī)的功率條件下實(shí)現(xiàn)飛行器達(dá)到相應(yīng)飛行姿態(tài)。

2.無(wú)槳葉動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。無(wú)槳葉動(dòng)力系統(tǒng)包括出風(fēng)圈、微型電機(jī)、渦輪風(fēng)扇和電調(diào)。無(wú)槳葉系統(tǒng)的主要過(guò)流部件包括出風(fēng)圈和內(nèi)置風(fēng)機(jī)。

(1)小間隙出風(fēng)口設(shè)計(jì)。出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)決定了動(dòng)力系統(tǒng)的出風(fēng)效果，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括出風(fēng)圈表面直徑和出風(fēng)口間隙，在進(jìn)口流量固定的情況下出風(fēng)口越小出風(fēng)速度越大，無(wú)人機(jī)需要流速快壓力大的流體為其提供動(dòng)力，因此不建議采用低壓大間隙的出風(fēng)口設(shè)計(jì)，小間隙的設(shè)計(jì)固然能較好的壓縮氣體并高速釋放，但這也需要內(nèi)置風(fēng)機(jī)提供較高的全壓。在無(wú)人機(jī)應(yīng)用上設(shè)計(jì)的出風(fēng)圈截面圖如圖1所示，出于對(duì)無(wú)人機(jī)重量以及功率的把控，采用小間隙無(wú)葉出風(fēng)口建議配備高轉(zhuǎn)速輕量化電機(jī)，在整體框架材料上保證結(jié)構(gòu)剛性的同時(shí)盡可能減輕無(wú)人機(jī)整體重量。出風(fēng)圈的內(nèi)外表面光滑程度也將影響流體流動(dòng)的能量損耗，出風(fēng)圈較窄一端為收縮端，從窄到寬的過(guò)渡面為擴(kuò)散面，在研究中發(fā)現(xiàn)可采用對(duì)擴(kuò)散面進(jìn)行一定的曲率設(shè)計(jì)來(lái)制作內(nèi)腔體，從而達(dá)到空氣在腔體內(nèi)流動(dòng)阻力減少，降低能量損耗。

圖1 小間隙出風(fēng)截面圖

(2)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)可采用基座風(fēng)機(jī)吸風(fēng)、中置風(fēng)機(jī)加壓的組合設(shè)計(jì)，本研究擬采用透平機(jī)械來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)的葉輪與流體相互作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換變成流體能量從而提供無(wú)人機(jī)動(dòng)力，混流壓縮機(jī)是設(shè)計(jì)透平機(jī)械的一種，可以提高氣體壓力，并輸送氣體，本文設(shè)計(jì)方案為混流式壓縮機(jī)，其扇葉尺寸也選擇盡可能貼近入風(fēng)口內(nèi)壁的尺寸以增大過(guò)流部件密封性，扇葉平面朝向與旋轉(zhuǎn)軸成某一夾角?；L(fēng)機(jī)位于入風(fēng)口處，其目的在于吸入大量的空氣并傳遞入送風(fēng)管內(nèi)，中置風(fēng)機(jī)位于送風(fēng)管內(nèi)，其目的在于對(duì)流體進(jìn)行加壓以滿(mǎn)足出風(fēng)口高速氣流的噴出?；L(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于中置風(fēng)機(jī)，但其槳葉面積高于中置風(fēng)機(jī)槳葉因此能吸入較大流量的氣體。設(shè)計(jì)方法借鑒了已有無(wú)葉風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方法，如圖2所示。

圖2 無(wú)葉無(wú)人機(jī)整體設(shè)計(jì)圖

(3)電子設(shè)備設(shè)計(jì)。電子設(shè)備包括電機(jī)和電調(diào)，電機(jī)為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，電調(diào)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控。電機(jī)的搭配可采用現(xiàn)有航模設(shè)備所使用的主流電機(jī)，由于需要內(nèi)置基座中，電機(jī)的尺寸和功率需要進(jìn)行妥協(xié)，選擇轉(zhuǎn)子直徑小于風(fēng)殼的電機(jī)，而電調(diào)則選擇對(duì)應(yīng)功率的型號(hào)即可。實(shí)際使用中可能會(huì)由于槳葉選用尺寸的差異對(duì)電機(jī)進(jìn)行不同選擇:葉輪受風(fēng)面積較大選擇轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)，葉輪受風(fēng)面積較小可選擇轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)。電子設(shè)備除電機(jī)以外的設(shè)備均裝置在過(guò)流部件外部避免影響風(fēng)道流通。

三、無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

(一)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。一是無(wú)葉設(shè)計(jì)采用硬質(zhì)出風(fēng)圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)槳葉的辦法，解決了槳葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生絞割的安全問(wèn)題，也為無(wú)人機(jī)的安全配置提供了更多的可能性，如安全傘、安全氣囊等措施，大大降低了無(wú)人機(jī)的事故率。二是在滿(mǎn)足風(fēng)量輸入和輸出的情況下，機(jī)身的設(shè)計(jì)具有更多可能性，出風(fēng)圈的外形不局限于環(huán)形設(shè)計(jì)，也可根據(jù)需要適當(dāng)改變，具備更高的拓展性，如可將圓環(huán)狀的出風(fēng)圈設(shè)計(jì)為橢圓狀出風(fēng)圈等。三是無(wú)葉化設(shè)計(jì)打破傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)依賴(lài)槳葉的設(shè)計(jì)，從根本上解決無(wú)人機(jī)槳葉存在的安全性問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)能更加安全地普及至各個(gè)領(lǐng)域的目標(biāo)。

(二)應(yīng)用范圍。

1.在航模教育中應(yīng)用。無(wú)槳葉無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)航模運(yùn)動(dòng)全面普及的強(qiáng)大助力，無(wú)葉化設(shè)計(jì)在教學(xué)中可以更加有效地保障使用者的安全。在教學(xué)過(guò)程中，可以防止新手操作不穩(wěn)定導(dǎo)致飛行器飛向人群而帶來(lái)的傷害，并減少防護(hù)措施限制條件。

2.在創(chuàng)客教育中應(yīng)用。無(wú)葉化的設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足基本流體通道提供動(dòng)力的前提下為飛行器的外形提供了更多的拓展性設(shè)計(jì)，如對(duì)出風(fēng)圈的異型設(shè)計(jì)可將圓環(huán)狀的出風(fēng)圈設(shè)計(jì)為橢圓狀或者其他形狀。

3.在較高安全性的復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。無(wú)葉化使得設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)安全性極大提高，減少了飛行器碰撞和誤操作帶來(lái)的危害，如在障礙物相對(duì)密集的環(huán)境中飛行作業(yè)，即使發(fā)生輕微的碰撞也不至于影響飛行器的整體水平穩(wěn)定。

四、結(jié)語(yǔ)

無(wú)葉無(wú)人機(jī)是一種新型的飛行器設(shè)計(jì)，除了滿(mǎn)足飛行器的基本飛行需求之外，安全性和穩(wěn)定性的提升也會(huì)推進(jìn)無(wú)人機(jī)的發(fā)展與普及。無(wú)葉無(wú)人機(jī)的安全性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)槳葉無(wú)人機(jī)，在保護(hù)使用者安全的同時(shí)也極大地保障了飛行器的本體安全。由于解決了槳葉纏繞問(wèn)題，無(wú)槳葉結(jié)構(gòu)給無(wú)人機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)帶了更多可能，如增設(shè)緊急降落傘、安全氣囊等，在滿(mǎn)足基本流體要求的同時(shí)無(wú)人機(jī)的出風(fēng)圈也將有更多的異型設(shè)計(jì)。